中大型水面艦船推進系統(tǒng)研究分析

張博杰，胡 鍇

中大型水面艦船推進系統(tǒng)研究分析

張博杰，胡 鍇

（中國艦船研究設計中心，武漢 430064）

隨著海軍對船舶動力/電力平臺要求的不斷提高，艦船混合動力系統(tǒng)以其高燃油經(jīng)濟性、高續(xù)航能力等優(yōu)勢而越來越受到各方關注。本文結合國內(nèi)外艦船發(fā)展狀況，針對中大型水面艦船推進動力系統(tǒng)進行分析，闡述混合動力系統(tǒng)的優(yōu)勢和發(fā)展空間。

護衛(wèi)艦 混合動力

0 引言

水面戰(zhàn)斗艦艇在水面艦船中角色多變、任務多樣，是現(xiàn)代海戰(zhàn)中最可能直接參戰(zhàn)的艦船，同時伴隨著武器裝備的發(fā)展，驅逐艦、護衛(wèi)艦作戰(zhàn)需求的提高，水面戰(zhàn)斗艦艇噸位也在不斷增加，中大型水面戰(zhàn)斗艦艇深受各國海軍重視。艦船動力系統(tǒng)是水面戰(zhàn)斗艦艇的主要系統(tǒng)之一，其使命任務是提供艦船所需的推進動力。動力系統(tǒng)的技術性能對艦船總體性能有重大影響，能直接影響艦船能否順利完成其使命任務。

隨著海軍對船舶動力/電力平臺要求的不斷提高，以及化石能源的逐漸減少和排放法規(guī)的日趨嚴格，相較于傳統(tǒng)的機械推進動力系統(tǒng)，柴電混合推進動力系統(tǒng)正日益受到更多關注[1]。它通過傳動耦合裝置，實現(xiàn)柴油機單獨推進、電機單獨推進或混合推進等工作模式，滿足艦船不同工況對動力裝置的不同需求，在中大型水面戰(zhàn)斗艦艇中具有廣泛的應用前景。

1 國內(nèi)外中大型水面戰(zhàn)斗艦船推進系統(tǒng)現(xiàn)狀

在目前的世界海軍中大型水面戰(zhàn)斗艦艇隊伍中，世界各國在進行艦船動力系統(tǒng)方案設計選型時，大多與本國的政策、工業(yè)基礎、技術水平以及經(jīng)濟實力等相結合，存在諸多的樣式及變化[2]。

法國“拉斐特”級護衛(wèi)艦，標準排水量為3353噸，滿載排水量為3810噸，采用全柴動力傳動裝置（CODAD）。采用4臺SEMT-皮爾斯蒂克12 PA6 V 280 STC柴油機，輸出功率為15.52 MW驅動2個5葉調距螺旋槳。“拉斐特”級護衛(wèi)艦最高航速可達到25節(jié)，其續(xù)航力在12節(jié)時可達9000海里，在15節(jié)時可達7000海里。

俄羅斯“格里戈洛維奇”級11356M型護衛(wèi)艦，標準排水量為3620噸，滿載排水量為4035噸，采用全燃聯(lián)合動力傳動裝置（COGAG）。采用2臺Zorya DN-59燃氣輪機，輸出功率為34.2 MW，2臺Zorya UGT 6000燃氣輪機，輸出功率12.4 MW。11356M型護衛(wèi)艦最高航速可達到32節(jié)，其續(xù)航力在14節(jié)時可達4850海里。

俄羅斯“戈爾什科夫”級22350型護衛(wèi)艦，標準排水量為4550噸，采用柴油機和燃氣輪機聯(lián)合動力傳動裝置（CODAG）。采用2臺M90FR燃氣輪機，輸出功率為20.5 MW，2臺10D49柴油機，輸出功率3.9 MW。22350型護衛(wèi)艦最高航速可達到29節(jié)，其續(xù)航力在14節(jié)時可達4000海里。22350型護衛(wèi)艦的出口型號——22356型護衛(wèi)艦，其柴電混合動力裝置能確保最大航速達到29.5節(jié)，經(jīng)濟航速時續(xù)航能力4500海里。

挪威“弗里德約夫·南森”級護衛(wèi)艦，標準排水量為4100噸，滿載排水量為5375噸，采用柴燃聯(lián)合動力傳動裝置（CODAG）。采用1臺GE LM2500燃氣輪機，輸出功率為19.2 MW，2臺Bazan Bravo 12V柴油機，輸出功率9 MW。艏部配置伸縮式側向電動推進器，功率1 MW。“拉斐特”級護衛(wèi)艦最高航速可達到26節(jié)，其續(xù)航力在16節(jié)時可達4500海里。

英國公爵級26型護衛(wèi)艦正在全面替代全球首次采用柴電燃聯(lián)合動力裝置（CODLAG）的23型護衛(wèi)艦，以期獲得更好的應用性能。26型護衛(wèi)艦滿載排水量5400噸，采用柴電燃交替動力裝置（CODLOG）。采用1臺羅爾斯羅伊斯公司生產(chǎn)的MT30燃氣輪機，輸出功率為35 MW，4臺MTU 20V 400 M35 B柴油發(fā)電機組，輸出功率12.2 MW，2臺通用電氣公司推進電動機，輸出功率6.4 MW。26型護衛(wèi)艦最高航速可達到28節(jié)，其續(xù)航力在15節(jié)時可達7000海里。

從以上信息不難看出，當今世界中大型水面戰(zhàn)斗艦艇推進動力系統(tǒng)仍舊以柴油機或燃氣輪機為為原動機機械推進為主體，但始終在不斷的調整和轉型，實現(xiàn)由單一機械動力到混合機械動力再到機械電力混合動力的發(fā)展變化，以適應海軍技術戰(zhàn)術的發(fā)展和作戰(zhàn)方式的變化。

2 柴電混合動力系統(tǒng)論述

傳統(tǒng)的以柴油機和燃氣輪機為原動機的動力系統(tǒng)，無論是柴油機還是燃氣輪機，在性能（尤其是低工況性能）、經(jīng)濟性和功率等方面都存在不同的優(yōu)缺點，單獨地選擇全柴或全燃動力，甚至柴燃混合動力，都難以完全滿足艦船不同工況對動力裝置的不同需求。而且隨著電力推進技術的成熟，針對水面戰(zhàn)斗艦艇的噸位及對機動性不同的要求，越來越多地采用電力推進和機械推進混合動力系統(tǒng)。

柴電混合動力系統(tǒng)，是一種混合利用柴油電力推進和柴油機直接機械推進的艦船推進動力系統(tǒng)。顧名思義，柴電混合動力系統(tǒng)包含電力推進和機械推進兩種推進模式，由推進電動機和柴油機單獨或共同驅動螺旋槳。同時，系統(tǒng)通過柴油機組發(fā)電，為推進電動機和日用用電負載供電。

柴電混合動力系統(tǒng)綜合了電力推進和機械推進的優(yōu)點，可通過合理的動力配置利用最少的燃油完成推進任務。在中低速時采用柴油機組發(fā)電驅動推進電機的推進方式，系統(tǒng)控制靈活，振動噪聲水平低，船舶電網(wǎng)的容量與全電力推進系統(tǒng)相比得到降低；在中高速時采用柴油機與推進電動機聯(lián)合推進，以獲得更高的航速。

根據(jù)水面戰(zhàn)斗艦艇的運行動力需求，水面戰(zhàn)斗艦艇必然至少存在船舶巡航推進工況和全速航行推進工況兩種。為滿足航速要求，艦船設計時常被設計成具有27節(jié)以上最大航速，但實際使用時大多數(shù)時間是以低速航行，這必然帶來燃油的巨大消耗。柴電混合動力系統(tǒng)可通過合理的動力配置，利用最少的燃油完成推進任務。這不僅僅是減少了燃油費用，而且還限制了燃油艙，進而減少維持推進所需的艦船體積，有效節(jié)省艦船成本，同時可為武備系統(tǒng)騰出更多的空間。

而且隨著未來海軍武器裝備（如高功率偵測系統(tǒng)、激光武器、電磁武器等）發(fā)展，軍方對船舶動力/電力平臺提出了更高的要求。這必然要求艦船動力系統(tǒng)具有更高的可靠性，更大的電力供應，戰(zhàn)損情況下更易維修等。但就目前而言，傳統(tǒng)的由柴油機或燃氣輪機等為主體的機械動力系統(tǒng)顯然無法勝任，在艦船動力系統(tǒng)中引入電力推進模式會是必然的選擇。當柴電混合動力系統(tǒng)工作在電力推進模式時，這是一種由原動機帶動發(fā)電機發(fā)電，經(jīng)變頻器把滿足要求電流送到推進電動機，從而驅動螺旋槳的推進方式。發(fā)電機除了向推進電動機提供電力外，還可向艦船的作戰(zhàn)系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、生活居住需求以及其他任務需求提供電力。電力驅動的好處是，發(fā)電機可以配置在艦船的任何位置，只需要通過傳輸線纜與驅動電動機進行電力連接就行。這種靈活性可為提高艦船生存能力提供更自由的選擇，有效提高艦船生存能力。此外，推進軸由電動機驅動，要比機械齒輪驅動安靜得多，可使艦船具有良好的聲學特征。

此外，柴電混合動力系統(tǒng)中包含的電力推進和機械推進的控制策略存在差異。機械推進艦船一般選用簡單的功率開環(huán)控制，由艦船檔位直接控制原動機的油門開度。確定各個檔位與油門開度的對應關系，從而達到期望的航行速度。選用這種控制方式，主要是因為原動機的油門不宜頻繁調整，以免降低設備的使用壽命。而電力推進系統(tǒng)，由于電機控制靈活，可以采用轉速閉環(huán)控制，實現(xiàn)對艦船航行速度的精確控制。根據(jù)艦船設計需要，可以靈活選擇功率控制或轉速控制方式。

3 結束語

綜合而言，柴電混合動力系統(tǒng)具有提高燃油經(jīng)濟性、降低柴油發(fā)動機維護費用、適應多種航行工況、減少排放污染、提高續(xù)航能力、提高作戰(zhàn)能力等諸多優(yōu)勢，在現(xiàn)代中大型水面戰(zhàn)斗艦艇中具有廣大的應用空間，具有巨大的發(fā)展?jié)摿Γ瑫r具備很大的市場競爭力。

[1] 張益敏, 陳俐, 朱劍昀. 混合動力船舶動力裝置及能量管理研究綜述[J]. 艦船科學技術, 2018, 40(3): 1-7.

[2] 徐青編著. 國外現(xiàn)代驅逐艦和護衛(wèi)艦[M]. 哈爾濱: 哈爾濱工程大學出版社, 2017.

Research and Analysis on Propulsion System of the Medium and Large Surface Vessels

Zhang Bojie, Hu Kai

(China Ship Development and Design Centre, Wuhan 430064)

U664.14

A

1003-4862（2019）05-0028-02

2018-12-14

張博杰（1992-），男，助理工程師。研究方向：船舶電力系統(tǒng)。Email: bjzhang92@126.com。